Enemigos de la señal o del medio

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Debe aceptarse que la señal que se recibe diferirá de la señal transmitida en cualquier sistema de comunicaciones, debido a varias adversidades y dificultades sufridas en la transmisión. Por ejemplo, en las señales analógicas, estos inconvenientes pueden degradar la calidad de la señal. En las señales digitales, pueden generarse bits erróneos: un 1 binario se transformará en un 0 y viceversa.

Sistema de transmisión de comunicaciones

Dispersión de la luz en dos prismas de distinto material.

Atenuación

Behrouz A. Forouzan. Data Communications and Networking. Amplificación en la atenuación

Definición

En comunicaciones, la atenuación refiere a una pérdida de energía sustancial de manera periódica, en el momento que una señal viaja a través de un medio pierde fracciones de su energía total, al someterse a la resistencia del medio de transmisión. La atenuación es la principal razón de que se generen impedimentos en el largo de las redes de comunicaciones.

Causas

Todas las señales de transmisión están sujetas a una pérdida de energía, la cual físicamente se refleja como una pérdida de amplitud de la señal, esto cuando se transmiten a través de largas distancias.

• Líneas de transmisión de cobre (par trenzado y cables coaxiales): Se presenta debido a la resistencia eléctrica de los conductores.

• Fibras ópticas: La fibra óptica a trabajar con energia luminica, puede presentar atenuaciones debido a la dispersión de luz, la cual se produce cuando cuando el rayo de luz choca contra una impureza impureza de la fibra y se dispersa en todas las las direcciones, perdiendo energía óptica.

• Ondas de de radio: Se debe al esparcimiento de la onda radiada. La onda pierde energía electromagnética ya que ésta se esparce en el espacio, esta pérdida aumenta con la distancia y la frecuencia, razón por la que se usen amplificadores y repetidores para corregir esta situación.

Solución

Con la finalidad de compensar esta pérdida de energía, en medios de transmisión se usan repetidores para medios guiados principalmente o amplificadores, para extender las distancias de la red más allá de sus restricciones propias.

Distorsión de retardo

Behrouz A. Forouzan. Data Communications and Networking. Distorsión

Definición

La distorsión no significa más que un cambio de forma en la señal. Esta interferencia puede llegar a ocurrir en una señal compuesta por diferentes frecuencias, en este caso, cada elemento que compone la señal tiene su propia velocidad de propagación a través del medio de transmisión y, por consiguiente, su propio retraso hacia el destino final; todas estos retrasos diferentes pueden generar una diferencia en la fase de la onda si el retraso no es exactamente el mismo que la duración del periodo. Es decir, que la forma de la señal compuesta no es la misma debido que los elementos del receptor y el emisor tienen fases diferentes.

Causas

Aparte de la causa ya mencionada referente al retraso de los diversos elementos de una señal compuesta, pueden presentarse más consideraciones que generan distorsión; estos conceptos se presentan con base a diferentes tipos de distorsión:

• Dispersión modal: La causa es la propagación multimodo que ocurre en las fibras de tipo multimodo, esto debido que los rayos de luz toman diferentes caminos a través del núcleo de la fibra y llegan al destino final con diferentes tiempos,este tipo de distorsión limita la velocidad de datos. Los pulsos de luz se sobreponen unos con otros y el receptor no es capaz de distinguirlos, por lo que estas fibras tienden a utilizarse solo para cortas distancias.

• Distorsión en señal óptica o cromática: Una fuente de luz de cualquier tipo está compuesta por diferentes ondas, estas ondas componen la señal que emite luces de diferentes longitudes de onda que viajan por la fibra a diferentes velocidades (cada onda puede ser capaz de producir una luz diferente) y llegan a destino en diferentes tiempos, dando como consecuencia el ensanchamiento del pulso.

Solución

Con el objeto de contrarrestar la distorsión por el retardo en el medio de transmisión hacia el receptor, se usan técnicas de ecualización de las señales.

Ruido

El ruido se define como cualquier energía de tipo eléctrico no deseada, que se solapa en la frecuencia de la señal deseada e interfiere con ella perturbando de esta manera la comunicación.

Ruido externo

Este tipo de ruido se introduce en el medio de transmisión mediante un solapamiento eléctrico o magnético, el cual se produce fuera del sistema que trata la señal. El ruido externo puede clasificarse en:

• Ruido de interferencia o diafonía: La diafonía se produce cuando hay un acoplamiento entre las líneas que transportan las señales. Una línea actúa como una antena emisora y la otra como una receptora.

• Alien crosstalk: El alien crosstalk (AXT) se define como una señal no deseada, la cual se acopla de uno de los componentes de los pares trenzados balanceados, del canal o del enlace permanente hacia otro, esta interferencia esta presente de cable a cable de un par trenzado.

• Ruido impulsivo: Es una señal nombrada pico, la cual tiene una amplitud alta en un periodo de tiempo muy corto. El ruido impulsivo afecta en mayor medida a la transmisión de datos que la transmisión de voz, ya que este impulso puede destruir un bit de paridad y originar pérdida de información, en el caso de las señales de voz no es crítica la pérdida de información de un bit. Debido a la corta duración del pulso y a su irregularidad en el tiempo, esta interferencia no se puede medir con instrumentos de uso convencional, para evaluar el ruido impulsivo se mide el número de impulsos presentes que excedan una magnitud de referencia en un periodo determinado de tiempo.

• Ruido inducido: Se debe a fuentes externas tales como motores y dispositivos electrónicos de uso doméstico. Estos dispositivos actúan como antenas emisoras y el medio de transmisión como la receptora, afectando de esta manera al medio y por consiguiente a la transmisión.

• Ruido cósmico: Este tipo de ruido se define por el ruido generado fuera de la atmósfera a un nivel cósmico, por ejemplo, nuestra estrella es una amplia fuente de radiación en un amplio intervalo de frecuencias, estas frecuencias mencionadas también generar ruido principalmente de tipo magnético.

• Ruido atmosférico: La definición del ruido atmosférico o también definido estática, recae esencialmente en los rayos, que son una descarga considerable de electricidad estática, los rayos son una fuente importante de ruido atmosférico. Este tipo de perturbación se propaga a largas distancias por el espacio.

Ruido interno

Se produce tanto en los componentes electrónicos pasivos como cables y resistencias, como en los elementos activos como diodos y transistores.

• Ruido térmico: Se produce por el movimiento aleatorio de los electrones en un conductor debido a la agitación térmica, la cual crea una señal extra no enviada originalmente por el transmisor. La agitación térmica mencionada se presenta con el aumento de la temperatura, que incrementa los movimientos en los electrones produciendo un flujo de corriente denominado esencialmente ruido.

• Ruido de disparo: Se produce por las variaciones naturales aleatorias en el flujo de corriente en los dispositivos activos de un circuito electrónico.

Ruido eléctrico correlacionado

Este tipo de ruido puede presentarse por primordialmente dos efectos, el primero, amplificaciones no lineales de la señal y segundo, cuando distintas frecuencias comparten el mismo medio de transmisión, pudiendo llegar a solaparse entre sí, sumando o restando frecuencias dentro del sistema que trata la señal.

Behrouz A. Forouzan. Data Communications and Networking. Ruido

Mitigación de ruido

• Jaula de Faraday: una jaula de Faraday que encierra un circuito se puede utilizar para aislar el circuito de fuentes de ruido externas. Una jaula de faraday no puede abordar las fuentes de ruido que se originan en el circuito en sí o las que se transportan en sus entradas, incluida la fuente de alimentación.

• Blindaje de cables: un cable blindado puede considerarse como una jaula de Faraday para el cableado y puede proteger los cables del ruido no deseado en un circuito sensible. El escudo debe estar conectado a tierra para que sea efectivo. Poner a tierra el escudo en un solo extremo puede evitar un bucle de tierra en el escudo.

• Cableado de par trenzado: trenzar los cables en un circuito reducirá el ruido electromagnético. Trenzar los cables disminuye el tamaño del bucle en el que puede atravesar un campo magnético para producir una corriente entre los cables. Pueden existir pequeños bucles entre los cables trenzados, pero el campo magnético que pasa a través de estos bucles induce una corriente que fluye en direcciones opuestas en bucles alternativos en cada cable y, por lo tanto, no hay corriente de ruido neto.

Pérdidas de la fibra óptica

Pérdidas de la fibra óptica por absorción

La pérdida por absorción puede ser definida como la pérdida de una porción de señal debido a la conversión de ésta en otras formas de energía como lo es el calor; algunas partículas de metal o humedad, cuando la señal atraviesa las fibras del canal de transmisión, pueden disipar o absorber la energía en forma de calor, resultando así en pérdida.

Un haz de fibras ópticas.

La absorción intrínseca

La absorción intrínseca es causada por las propiedades básicas de la fibra. Por ejemplo, si se tiene en cuenta que la fibra contiene impurezas e imperfecciones, como lo es la humedad relativa, entonces todas estas pérdidas serían intrínsecas. En la caso mencionado esto se pueden superar sólo cambiando el material de la fibra, como el sílice.

Absorción extrínseca

Es causada por la presencia de impurezas en la fibra óptica como iones metálicos o presencia de iones hidroxilo, es decir silicio-hidroxilo dentro de la fibra. Para compensar esta pérdida extrínseca puede reducirse la concentración de iones metálicos por debajo de una parte por billón de fibras secas haciendo uso de diversas técnicas o materiales.

Las pérdidas por dispersión de la fibra óptica

La propagación de las señales dentro de la fibra óptica se basa en la reflexión interna de las ondas, todo tipo de irregularidad incluso las desproporciones a nivel molecular en la superficie de la fibra puede hacer que la señal vaya en direcciones aleatorias, lo que se traduce como pérdidas de dispersión. Las pérdidas por dispersión pueden dividirse en dos categorías:

Dispersión lineal

• Dispersión de Rayleigh: Este tipo de dispersión es la principal causa de pérdidas en la fibra óptica, correspondiendo al 96% de las pérdidas totales. La dispersión de Rayleigh se presenta a nivel molecular, donde las moléculas de sílice se mueven al azar y pueden aglomerarse en un solo lugar cuando se encuentran en estado sólido, lo que produce irregularidades en la fibra y por tanto en su indice de refraccion.

• Dispersión de Mie: La posible desigualdad en la forma de las ondas guiadas puede generar diferencias en el índice de refracción a los largo de la longitud o diámetro de la fibra, esto como consecuencia a que la onda no se refleja en la misma proporción en los diversos puntos de la fibra óptica si su forma no es homogénea.

La dispersión no lineal

Transmisión de ondas en la fibra óptica.

• Estimulada de Brillouin (SBS): Esta dispersión es una consecuencia de frecuencias externas superiores a la frecuencia de la señal, lo que ocurre cuando la modulación de la energía se genera debido a la vibración térmica, produciendo fotón acústico con un desplazamiento de frecuencia óptica conocido como desplazamiento de Stokes, este desplazamiento se genera hacia la dirección opuesta de la dirección original de la señal.

• Dispersión estimulada Raman (SRS): La dispersión de Raman es semejante a la estimulada de Brillouin con la diferencia de que se produce un fotón óptico en cambio a un fotón acústico. Por otro lado este puede ocurrir tanto en dirección hacia adelante y hacia atrás, así como tener un umbral de óptica de hasta tres veces mayor respecto con la dispersión de Brillouin.

Pérdidas de la fibra óptica por flexión

• Macro curvaturas: El plegado de las fibras ópticas en curvas cerradas es conocido como macro curvaturas. Este pliegue mencionado crea un ángulo demasiado agudo, donde se le es imposible a la onda seguir reflejándose en la fibra, escapando del revestimiento, resultando así en una pérdida de señal. En los modelos físicos comerciales esta pérdida aumenta a medida que el ancho de la fibra óptica disminuye; diferentes fibras tienen especificaciones detalladas en cuanto al maximo de ángulo permisible sin comprometer de manera significativa la efectividad en la transmisión de la señal.

• Micro Curvas: Al apretar demasiado o retorcer la fibra se generan pequeñas deformaciones en la estructura de la misma, lo que se traduce en la reflexión inesperada de la señal, traduciendo en pérdidas de información.

Pérdidas del conector de fibra óptica

Las pérdidas del conector se producen en la interconexión de las dos fibras, esto puede suceder si la conexión entre las fibras no está alineada, así como si se encuentra un espacio libre con aire, el diámetro de la fibra no es semejante, entre otros.

Afectaciones al medio

Roedores

Causas

Biológicamente los roedores requieren desgastar sus dientes debido a que estos no dejan de crecer a lo largo de su vida. El principal problema en estos casos es la goma butílica, la cual generalmente rodea a la fibra optica, cables de par trenzado, alambres de cobre, entre otros; este tipo de goma resulta ser irresistible para los roedores.

Solución

Optral. Cables antirroedores. Recubrimiento metálico trenzado

Comercialmente existen diferentes tipos de corazas o protecciones antirroedores, entre las más conocidas se encuentran:

• Armaduras metalicas: Recubrimientos en plomo, acero o aluminio presentes a lo largo de todo el cable, este recubrimiento puede estar presente en tubos de pared gruesa, red de hilos trenzados, entre otros.

• Armazones dieléctricas: Son recubrimientos completos principalmente en fibra de vidrio o polímeros basados componentes plásticos.

Perdida en medios guiados

Cable de par trenzado blindado (STP)

Cable de par trenzado

Es un medio muy susceptible a ruido y a interferencias, entre los principales, conflictos de empalme y dispersión. Con el objeto de evitar estos problemas suele trenzar el cable con distintos pasos de torsión, así como recubrir el par con una malla externa para reducir las interferencias externas.

Cable coaxial

Los principales inconvenientes del cable coaxial son: La atenuación, el ruido térmico y ruido de intermodulación. Por esta razón es necesario el uso de un amplificadores cada cierta distancia para el caso de senales analogicas, y un repetidor para senales digitales.

Perdida en medios no guiados

Esquema del funcionamiento de una red inalámbrica.

Microondas terrestres

La principal causa de pérdidas es la atenuación, aparte de ser bastante susceptible a las condiciones atmosféricas del medio, por este motivo, con la lluvia aumenta la atenuación de la señal. Otra de las principales causas son las distorsiones externas, ya que este tipo de ondas, al transitar libremente por el medio son aptas para el solapamiento con otras señales.

Microondas por satélite

El rango de frecuencias para la recepción de un satélite debe ser diferente del rango al que este emite, con el objeto que las señales con direcciones opuestas no interfieran entre si, por esta razón, pueden presentarse problemas de modulación y distorsión de retardo.

Cuestionario

El cuestionario de retroalimentación del tema se encuentra disponible en el siguiente enlace: Cuestionario - Enemigos de la señal o del medio

Bibliografía

1. Behrouz A. Forouzan. Data Communications and Networking.
2. William Stallings. Comunicaciones y Redes de Computadores.
3. Ebert G. Castillo, Patricia R. Castillo, Manuel G. Sotomayor, Lee V. Gonzales, Efrain J. Zenteno. Teoria y Aplicaciones de Ingeniería de Microondas.
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5. Telepro Madrid. Fibra óptica y las Pérdidas de la Fibra Óptica. Disponible en: https://telpromadrid.eu/fibra-optica/
6. Frenzel. Sistemas electrónicos de comunicaciones.